Hyundais Brennstoffzellentechnologie: Das ix35 Fuel Cell Fahrzeug

Auf den ersten Blick sieht der Hyundai ix35 Fuel Cell aus wie jedes andere Auto, das in Ulsan, Korea, vom Band läuft. Es gibt einige dezente Änderungen – die bläulich schimmernden Embleme, den Kühlergrill und das Fehlen eines Auspuffrohrs zum Beispiel – aber im Wesentlichen sieht er identisch aus wie die benzin- und dieselbetriebenen Modelle, die auf derselben Linie gebaut werden.

Und das ist auch gut so. Die Designphilosophie hinter dem weltweit ersten ix35 Fuel Cell in Serienproduktion ist, dass er wie ein konventionelles Auto aussehen, fahren und sich verhalten soll, ohne Kompromisse vom Fahrer zu verlangen. Er sollte auch eine ähnliche Leistung und Reichweite wie jedes andere konventionelle Benzin- oder Dieselmodell bieten.

Der große Unterschied ist jedoch, dass er keine Abgase aus dem Auspuff produziert. Das Ergebnis intensiver Entwicklung seit 1998, der erste ix35 Fuel Cell in Serie rollte Ende Februar 2013 vom Band. Der weiße ix35 war der erste von 17 Exemplaren, die für Flottenkunden in Kopenhagen, Dänemark und Skane, Schweden bestimmt waren, wo die lokalen Behörden ein umfangreiches Wasserstoffprojekt gestartet haben.

Tests unter realen Bedingungen

Das Auto und sein Antriebsstrang wurden im Hyundai-Brennstoffzellen-F&E-Zentrum in Mabuk, Korea, entwickelt. Das Konzept hat bereits mehr als 2 Millionen Meilen Tests unter realen Bedingungen in Europa, Korea und den USA absolviert.

Bis 2015 hat Hyundai zugesagt, insgesamt 1.000 ix35 Fuel Cell Fahrzeuge zu produzieren, die weltweit verfügbar sein werden – viele in Europa – wo sie an ähnlichen Versuchen teilnehmen werden, während eine nachhaltige Wasserstoff-Roadmap etabliert wird. Es ist beabsichtigt, dass bald fünf Fahrzeuge auf den Straßen Londons getestet werden, mit weiteren Auslieferungen bis Ende des Jahres.

Der ix35 wurde als Basis für Hyundais erstes Brennstoffzellenfahrzeug gewählt, auch wegen der Attraktivität des konventionellen Autos. Teil SUV, Teil Familienauto, vereint der ix35 Praktikabilität und Stil zu gleichen Teilen.

Bei der Entwicklung der Brennstoffzellenversion haben Hyundais Ingenieure sichergestellt, dass der Einbau des Brennstoffzellenstapels, der Wasserstofftanks, der Batterien und anderer wichtiger Steuerungssysteme des Antriebsstrangs die Nutzbarkeit des Autos nicht beeinträchtigt hat.

[miniflickr photoset_id=72157634780420906&sortby=date-posted-asc&per_page=64]

Die Brennstoffzelle befindet sich unter der Motorhaube, zusammen mit anderen Komponenten wie dem Hochspannungs-Verteilerkasten und dem kompakten Elektromotor, der die Vorderräder antreibt. Die Hochvoltbatterie und das Wechselrichtersystem sind in einem wasserdichten Gehäuse unter dem Fahrzeug untergebracht und mittig montiert für eine optimale Gewichtsverteilung.

Die Hauptkomponenten der Brennstoffzelle selbst sind die negativ geladene Anode und eine positiv geladene Kathode, mit einer Protonenaustauschmembran (PEM) dazwischen.

Wasserstoff wird in den Brennstoffzellenstapel geleitet, wo er über die Anode strömt. An diesem Punkt werden die Elektronen innerhalb der Wasserstoffmoleküle entlang der Anode weitergeleitet, während die Protonen der Wasserstoffmoleküle durch die Protonenaustauschmembran gelangen. Die Elektronen fließen weiter entlang der Anode, durch einen Stromkreis und dann entlang der Kathode. Dieser Elektronenfluss erzeugt elektrische Ladung sowohl für die Bordbatterie als auch für den Motor. Die Elektronen verbinden sich wieder mit den Protonen, die die PEM passiert haben, und reagieren mit der Luft aus der Atmosphäre, wobei Wasserdampf entsteht.

Der Brennstoffzellenstapel wird von einem Unterstützungssystem namens BOP (Balance of Plant) gesteuert, das eine sorgfältige Steuerung von Wärme- und Materialfluss übernimmt. Das BOP des ix35 umfasst drei Hauptelemente: ein Wärmemanagementsystem (TMS), ein Luftaufbereitungssystem (APS) und ein Brennstoffaufbereitungssystem (FPS).

Wärmemanagement

Während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels entsteht Wärme, die seine Effizienz beeinträchtigen kann. Im ix35 Fuel Cell hält das TMS die Temperatur des Brennstoffzellenstapels auf einem optimalen Niveau und verfügt über eine Reihe verschiedener Elemente, darunter eine Stapelwasserpumpe mit einem Dreiwegeventil, das Kühlwasser je nach Bedarf an verschiedene Stellen leitet.

Ein Brennstoffzellenfahrzeug benötigt außerdem eine zuverlässige Luftzufuhr (Sauerstoff) für die elektrochemische Reaktion in der Brennstoffzelle. Das APS des ix35 Fuel Cell besteht aus einem nahezu geräuschlosen und schnell ansprechenden Gebläse und einem Absperrventil, das den Luftstrom unterbricht, wenn das Fahrzeug nicht benutzt wird, während ein hochwertiger Luftfilter Partikel und Chemikalien wie SO2 (Schwefeldioxid) daran hindert, in die Brennstoffzelle einzudringen.

Das FPS wandelt Hochdruckwasserstoff aus dem Wasserstofftank in Niederdruckwasserstoff um, der im Brennstoffzellenstapel verwendet wird, und rezirkuliert restlichen Wasserstoff im Stapel zur Wiederverwendung.

Niedriger Schwerpunkt

Lithium-Ionen-Batterien sind tief in der Mitte des Autos montiert, um eine optimale Gewichtsverteilung und einen niedrigen Schwerpunkt zu erreichen. Der ix35 Fuel Cell hat auch eine konventionelle 12V-Batterie im Kofferraum, die zum Starten und für die Stromversorgung von Zusatzgeräten wie dem Navigationssystem verwendet wird.

Es gibt zwei miteinander verbundene Wasserstofftanks aus Kohlefaser und Aluminium, um Gewicht zu sparen, ohne die Festigkeit zu beeinträchtigen. Einer befindet sich unter dem Kofferraumboden, der zweite, kleinere Tank vor der Hinterachse. Zusammen fassen sie 5,6 kg Wasserstoff bei 700 bar: genug für eine Reichweite von 594 Kilometern (369 Meilen).

Kraftstoffverbrauchswerte sind schwer in traditionelle km/l oder mpg umzurechnen, aber dazu müsste man den Energiegehalt von Wasserstoff und Benzin vergleichen. Bei einer Reichweite von 594 km und einer Tankkapazität von 5,6 kg Wasserstoff entspricht dies, dass 1 kg Wasserstoff 106 km Reichweite liefert. Wasserstoff hat etwa den gleichen Energiegehalt wie 3,7 Liter Benzin, daher ergäbe sich ein „traditioneller“ Wert von 28,6 km/l.

Die Leistung ist ähnlich wie bei einem konventionellen ix35, mit einer Brennstoffzellenleistung von 100 kW (136 PS), einer Höchstgeschwindigkeit von 100 mph (ca. 161 km/h) und einer Beschleunigung von 0 auf 62 mph (0-100 km/h) in 12,5 Sekunden, wobei 300 Nm Drehmoment ab dem Stand zur Verfügung stehen. Und es gibt keine Abgasemissionen.

Das Brennstoffzellenfahrzeug ist 100 kg schwerer als der konventionelle ix35 und der Wasserstofftank unter dem Kofferraumboden ist größer als ein Benzin- oder Dieseltank. Dies bedeutet ein Kofferraumvolumen von etwa 436 Litern. Alle produzierten ix35 Fuel Cell Fahrzeuge sind zu diesem Zeitpunkt nur als Linkslenker erhältlich.

Fahrmodi

Der ix35 Fuel Cell hat mehrere Betriebsmodi:

• Im Brennstoffzellenmodus erzeugt der Brennstoffzellenstapel Strom aus dem bordseitigen Wasserstofftank, der dann direkt den Elektromotor antreibt.
• Im Power-Assist-Modus wird der Strom aus dem Brennstoffzellenstapel durch Strom aus der Hochvoltbatterie (25 kW) für einen zusätzlichen Schub ergänzt.
• Im Power-Charge-Modus wird ein Teil des vom Brennstoffzellenstapel erzeugten Stroms der Batterie zugeführt, um sie für die spätere Verwendung aufzuladen.

Beim Verzögern und Bremsen ermöglicht der Rekuperationsmodus die Umwandlung von kinetischer Energie in Strom durch den Motor und den Wechselrichter, der in der Batterie gespeichert wird.

Aus Fahrersicht sind die einzigen wesentlichen Änderungen die Instrumentierung, mit anderen Anzeigen, die je nach Betriebsmodus des Fahrzeugs den Ladezustand oder die während der Rekuperation zurückgewonnene Leistung zeigen, sowie das Ein-Gang-Getriebe.

Eok Jo Kim, Vizepräsident von Hyundai Motor, sagte: „Mit dem ix35 Fuel Cell führt Hyundai den Weg in eine emissionsfreie Zukunft an. Der ix35 Fuel Cell ist das umweltfreundlichste Fahrzeug der Automobilindustrie und beweist, dass Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologie im Alltag kein Traum mehr ist.“